(57)【要約】      （修正有）【課題】小型で簡易な構造であり最小侵入性を有する力計測器を提供する。【解決手段】光学変換器に作用する、例えば回転力や横力のような力を検出するための光学変換器が本発明により提供される。ここでは、力を検出するために、光学信号４ａ、４ｂが、光ファイバ２ａ、２ｂによって画定された光路を介して送信される。さらに、光学手段３に作用する力の結果として、光路を通る光学信号の透過率を変更するように適合された光学手段３が提供される。次に、結果として生じた変換器を出る光学信号は、変換器に作用する力を検出するために使用される。【選択図】図１ａ
2007033449.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学変換器（１）に作用する力を検出するための光学変換器（１）であって、光学信号（４ａ、４ｂ）を送信するように適合される光路を含み、
前記光学変換器は、可動手段を含み、該可動手段は、前記光路を通る前記光学信号の透過率を前記光路に対する位置の関数として変更するように、前記光学変換器に作用する力（３Ｆ、３Ｔ）の結果として移動するように適合される、ことを特徴とする光学変換器。
【請求項２】
前記光路は、少なくとも１つの光ファイバ（２ａ、２ｂ）を含み、前記力（３Ｆ、３Ｔ）の結果として移動するように適合される前記手段は、光学手段を含む、ことを特徴とする請求項１記載の光学変換器。
【請求項３】
前記光路は、連続的に配置されるとともにその両方が光学信号（４ａ、４ｂ）を受信し放射するように適合される第１および第２の光ファイバ（２ａ、２ｂ）を含み、前記光学手段は、光学フィルタ（３）を含み、該光学フィルタ（３）は、前記第１および第２のファイバ間での位置の関数として前記第１の光ファイバ（２ａ）を出る前記光学信号を少なくとも部分的に吸収するように、それに作用する横力（３Ｆ）の結果として前記２つの光ファイバの間を往復運動するように適合される、ことを特徴とする請求項２記載の光学変換器。
【請求項４】
前記光学フィルタ（３）は、完全に非透過的である、ことを特徴とする請求項３記載の光学変換器。
【請求項５】
前記光学フィルタ（３）は、段階的な吸収プロファイルを有する、ことを特徴とする請求項３記載の光学変換器。
【請求項６】
前記光路は、１つの光ファイバ（２ａ）を含み、前記光学手段は、前記光ファイバ（４ａ）の一端の近傍に配置される光学ミラー（３ｒ）を含み、該光学ミラーは、前記光ファイバ（４ａ）に対する位置の関数として前記光ファイバ（４ａ）を出る光学信号を少なくとも部分的に反射するように、それに作用する力（３Ｆ）の結果として実質的に一方向において往復運動するように適合される、ことを特徴とする請求項２記載の光学変換器。
【請求項７】
前記光路は、連続的に配置されるとともにそれぞれが光学信号を受信し放射するように適合される少なくとも３つの光ファイバ（２ａ、２ｂ、２ａｂ）を含み、前記光学手段は少なくとも２つの光学フィルタ（３ｒ、３ｇ）を含み、該２つの光学フィルタのそれぞれは、２つの連続する光ファイバ間での位置の関数として、２つの連続する光ファイバを介して送信される光学信号を少なくとも部分的に吸収するように、それに作用する力（３Ｆ）の結果として２つの連続する光ファイバの間を往復運動するように適合される、ことを特徴とする請求項２記載の光学変換器。
【請求項８】
前記少なくとも２つのフィルタの少なくとも１つは、所定の波長の光学信号を少なくとも部分的に吸収するように適合されるフィルタである、ことを特徴とする請求項７記載の光学変換器。
【請求項９】
前記光学フィルタは、いずれも、所定の波長の光学信号を少なくとも部分的に吸収するように適合されるフィルタである、ことを特徴とする請求項８記載の光学変換器。
【請求項１０】
前記光路は、連続的に配置されるとともにそれぞれが光学信号を受信し放射するように適合される少なくとも２つの光ファイバ（２ａ、２ｂ）を含み、前記光学手段は、少なくとも第１および第２の光学ミラー（３ｒ、３ｇ）を含み、該第１および第２の光学ミラー（３ｒ、３ｇ）は、前記光ファイバ（２ａ、２ｂ）に対する位置の関数として前記光路を介して送信される光学信号を少なくとも部分的に反射するように、前記連続する２つの光ファイバ（２ａ、２ｂ）間にて、かつ前記第２の光ファイバ（２ｂ）の一端の近傍にて、これらに作用する力（３Ｆ）の関数としてそれぞれ往復運動するように適合される、ことを特徴とする請求項２記載の光学変換器。
【請求項１１】
前記第１および第２の光学ミラーの少なくとも１つは、所定の波長の光学信号を少なくとも部分的に反射するように適合されるミラーである、ことを特徴とする請求項１０記載の光学変換器。
【請求項１２】
前記光路は、連続する２つの光ファイバ（２ａ、２ｂ）を含み、前記光学手段は、前記２つの光ファイバ間に配置されるとともに前記光ファイバの対向する端部にそれぞれ固着される２つの光学フィルタ（３ｈ１、３ｈ２）を含み、前記２つのフィルタの少なくとも１つは、前記変換器に作用する力（３Ｔ）の結果として回転するように適合され、その結果、前記光路を通る前記光学信号の透過率は、前記２つのフィルタの相互の位置の関数として変更される、ことを特徴とする請求項２記載の光学変換器。
【請求項１３】
前記少なくとも２つのフィルタの少なくとも１つは、非透過的な部分を有し、残りの部分は透過的である、ことを特徴とする請求項１２記載の光学変換器。
【請求項１４】
前記少なくとも２つのフィルタは、いずれも、非透過的な部分と透過的な部分とを有する、ことを特徴とする請求項１３記載の光学変換器。
【請求項１５】
前記非透過的な部分は、略５０％に相当する、ことを特徴とする請求項１３または請求項１４記載の光学変換器。
【請求項１６】
前記少なくとも２つのフィルタのうちの１つにおける前記非透過的な部分は、所定の波長の光学信号を吸収するように適合される少なくとも２つの補足部分を含む、ことを特徴とする請求項１５に記載の光学変換器。
【請求項１７】
前記少なくとも２つの補足部分のそれぞれは、２５％に相当する、ことを特徴とする請求項１６記載の光学変換器。
【請求項１８】
前記可動手段に接続され、前記可動手段が前記力（３Ｆ、３Ｔ）に対する反作用力を及ぼすことを可能にする弾性手段をさらに含む、ことを特徴とする請求項１乃至請求項１７のいずれかに記載の光学変換器。
【請求項１９】
前記弾性手段は、前記光路と前記可動手段とを収容する少なくとも１つの弾性スリーブ（１ｓ）を含む、ことを特徴とする請求項１８記載の光学変換器。
【請求項２０】
力の測定および／または検出のための測定装置であって、
請求項１乃至請求項１７のいずれかに記載の少なくとも１つの光学変換器を含む、ことを特徴とする測定装置。
【請求項２１】
前記測定装置は、前記光路へ光学信号を導入するための少なくとも１つの光学信号放射装置（６ａ）と、前記光路を出る光学信号を受信するための１つの光学信号受信装置（６ｂ）とを含み、前記受信手段は、光学信号を電気信号に変換するようにさらに適合される、ことを特徴とする請求項２０記載の測定装置。
【請求項２２】
前記少なくとも１つの放射装置（６ａ）は、少なくとも１つのＬＥＤ（７ｃ）を含み、前記少なくとも１つの受信装置（６ｂ）は、少なくとも１つのダイオード（７ｄ）を含む、ことを特徴とする請求項２１記載の測定装置。
【請求項２３】
力を測定するための測定システムであって、
請求項２１または請求項２２記載の少なくとも１つの測定装置を含む、ことを特徴とする測定システム。
【請求項２４】
前記受信装置（６ｂ）を出る前記電気信号を演算するための演算手段を含む、ことを特徴とする請求項２３記載の測定システム。
【請求項２５】
複数の測定装置と、閾値信号を生成するように適合される閾値装置とを含む、ことを特徴とする請求項２３または請求項２４記載の測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は力の測定に関する。特に、本発明は、例えば横力（圧力）や回転力（トルク）などの機械的な力の測定に関する。より詳細には、本発明は光学変換器を使用することによる力の測定に関する。さらに、より詳細には、本発明は、光学変換器、および／または低コストの光ファイバと光学部品とから成るセンサを用いた力の測定に関する。最後に、本発明は、低コストの光学変換器、および／または光学センサを含む装置およびシステムにより力を測定するための装置およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
過去何年間、多大な開発研究が、極めて高信頼に機械的な力を測定および／または検出するように適合された装置の提供に捧げられてきた。このような装置とシステムとが開発および提案されるに伴い、極めて精巧な電子組立品に基づいたシステムおよび装置が、最も広く使用される装置およびシステムとなった。これは、特に、集積回路分野の発展と、これに応じた極めて複雑な機能を利用する回路のサイズの小型化とにより、様々な目的のために極めて困難な条件下で使用するように適合された極めて小さな電子変換器の提供が可能となったことによる。例えば、そのサイズが数立方ミリメートル未満に保たれた電子変換器が知られている。さらに、演算手段の分野、特に、常により短時間に極めて多量のデータを解析するのに適合されたソフトウェアの分野における最近の発展により、電子変換器により検出されたデータが自動でかつ信頼できる方法で解析できるようになった。最後に、電子システムのコストの低下により、電子変換器の製造コストを抑えることができ、したがって多くの目的と応用のために電子変換器を利用できるようになった。
【０００３】
しかしながら、電子変換器によって提供される上記したすべての利点にもかかわらず、電子変換器は、特に、例えば電子変換器が圧力やトルクのような機械的な力を測定するために使用された場合、欠点が無いわけではない。電子変換器に影響を及ぼす最も重大な欠点は、電子変換器を作動させるためには電流が必要であるということに起因する。力が電子変換器に作用すると、変換器を介して流れる電流はそれに作用する力により影響を受ける。したがって、変換器に作用する力の強度の示度を得るために、この電流の変化を検出して利用することができる。
【０００４】
しかしながら、電子変換器を介して流れる電流はまた、外部環境によって影響を受けることがあり、したがって、雷雨時に静電放電に曝される構造、あるいは電磁気雑音のある産業用構内などの不安定な環境における応用に対しては、電子変換器を信頼性の低いものとしている。さらに、易燃性の高い物質の貯蔵区域において電子変換器を使用することは難しく、または危険であろう。最後に、いくつかのタイプの電子変換器はまた、感電死の危険が生じるので生医学への応用には適切ではない。
【０００５】
したがって、上に説明した諸問題に鑑み、これらの諸問題を解決または低減することができる技術を提供することは望ましいであろう。特に、静電放電に曝される構造、および／または雑音のある産業用構内において、または易燃性の高い物質の貯蔵区域においても使用されるのに好適な変換器を提供することは望ましいであろう。同様に、生医学への応用に好適な、力の測定および／または検出のための変換器を提供することは望ましいであろう。さらに、低コスト、軽量、小型、および最小侵入性（ｍｉｎｉｍａｌ  ｉｎｖａｓｉｖｅｎｅｓｓ）により特徴づけられた変換器を提供することは望ましいであろう。最後に、低コストで、簡単で、かつ公知の装置と組み合わせて使用することができる、高信頼に力を測定するための変換器を提供することは望ましいであろう。
【発明の開示】
【０００６】
（発明の概要）
本発明は、一般的に、力、特に圧力またはトルクのような機械的な力は直接的または間接的に光路に作用する力に起因する光路を通る光の変化を利用することにより測定および／または検出できるという考察に基づく。特に、本発明の動作原理は、試験下の力によって制御されるリンク減衰によって、光路の出力において検出されるフォト電流の変化を利用する。特に、光路を通る光学信号の透過率を変更するように適合された光学手段が、試験下の力の結果として、光路内に漸進的に挿入された場合、送信された光学信号の変化は、試験下の力に対する示度、例えば強度または方向等を得るために効果的かつ高信頼に利用できるということが観察されている。これは、特に、光路を介して送信された光学信号の変化を電流または電圧の測定単位に変換することにより得られる。本発明による検出手法は、原理的には全く一般的であるかもしれないが、力、特に、例えば圧力またはトルクのような機械的な力を検出および／または測定するためには極めて信頼できることが明らかになった。さらに、光路を画定するために光ファイバが使用された場合、軽量、最小侵入性、電磁妨害雑音に対する不感受性、および火事または爆発を起こす可能性が無いことのような光ファイバに共通の利点に加え、コスト面での利点が生じる。最後に、標準的なポリマー光ファイバ（ＰＯＦ）のような極めて高い開口率のファイバが使用された場合、対向するファイバ間のギャップの高許容性、機械的公差が厳しくないこと、低コストの光源および光検出器を使用する可能性により、利点がまた生じる。
【０００７】
上述の考察に基づき、本発明の第１の実施態様は請求項１に記載の光学変換器に関する。すなわち、光学変換器に作用する力を検出するための光学変換器であって、この光学変換器は、光学信号（４ａ、４ｂ）を送信するように適合される光路を含み、この光学変換装置は、光路を通る光学信号の透過率を光路に対する位置の関数として変更するように、光路に作用する力の結果として移動するように適合される可動手段を含むことを特徴とする。
【０００８】
本発明の別の実施態様によると、請求項３に記載の光学変換器が提供される。すなわち、例えば圧力のような力を測定するように適合される光学変換器であって、前記光路は、連続的に配置されるとともにその双方が光学信号を受信し放射するように適合される第１および第２の光ファイバを含み、前記光学手段は、光学フィルタを含み、この光学フィルタは、前記第１および第２のファイバ間での位置の関数として前記第１の光ファイバを出る光学信号を少なくとも部分的に吸収するように、それに作用する横力の結果として前記２つの光ファイバの間を往復運動するように適合される、ことを特徴とする光学変換器が提供される。
【０００９】
さらに本発明の別の実施態様によると、請求項６に記載の光学変換器が提供される。すなわち、前記光路は、１つの光ファイバを含み、前記光学手段は、前記光ファイバの一端の近傍に配置される光学ミラーを含み、この光学ミラーは、前記光ファイバに対する位置の関数として前記光ファイバを出る光学信号を少なくとも部分的に反射するように、それに作用する力の結果として実質的に一方向において往復運動するように適合される、ことを特徴とする光学変換器が提供される。
【００１０】
さらに本発明の別の実施態様によると、請求項７に記載の光学変換器が提供される。すなわち、前記光路は、連続的に配置されるとともにそれぞれが光学信号を受信し放射するように適合される少なくとも３つの光ファイバを含み、前記光学手段は、少なくとも２つの光学フィルタを含み、この２つの光学フィルタのそれぞれは、２つの連続する光ファイバ間での位置の関数として、２つの連続する光ファイバを通して送信される光学信号を少なくとも部分的に吸収するように、それに作用する力の結果として２つの連続する光ファイバの間を往復運動するように適合される、ことを特徴とする光学変換器が提供される。
【００１１】
さらに本発明の別の実施態様によると、請求項１０に記載の光学変換器が提供される。すなわち、前記光路は、連続的に配置されるとともにそれぞれが光学信号を受信し放射するように適合される少なくとも２つの光ファイバを含み、前記光学手段は、少なくとも第１および第２の光学ミラーを含み、この第１および第２の光学ミラーは、前記光ファイバに対する位置の関数として前記光路を介して送信される光学信号を少なくとも部分的に反射するように、前記連続する２つの光ファイバ間にて、かつ前記第２の光ファイバの一端の近傍にて、これらに作用する力の関数としてそれぞれ往復運動するように適合される、ことを特徴とする光学変換器が提供される。
【００１２】
さらに本発明の別の実施態様によると、請求項１２に記載の光学変換器が提供される。すなわち、前記光路は、連続する２つの光ファイバを含み、前記光学手段は、前記２つの光ファイバ間に配置されるとともに前記光ファイバの対向する端部にそれぞれ固着される２つの光学フィルタを含み、前記２つのファイバの少なくとも１つは、前記変換器に作用する力の結果として回転するように適合され、その結果、前記光路を通る前記光学信号の透過率は、前記２つのフィルタの相互の位置の関数として変更される、ことを特徴とする光学変換器が提供される。
【００１３】
請求項１８に記載の別の実施態様によると、本発明による光学変換器は、変換器に作用する力に対する反作用力を及ぼすことができる弾性手段を含む。
【００１４】
請求項２０に記載の測定装置、すなわち本発明による光学変換器を含む測定装置が提供される。
【００１５】
最後に、圧力またはトルクのような力を測定するための、本発明による光学変換器を備える測定装置を含む測定システムがまた提供される。
【００１６】
さらに、本発明のさらなる実施態様は添付の請求項において定義される。
【００１７】
（詳細な説明）
本発明のさらなる利点、目的、特徴、および実施態様は、添付の特許請求の範囲において定義され、添付の図面を参照した以下の詳細な説明によりさらに明らかになるであろう。同図面では、同一の対応する部分は同じ参照番号を使用することにより特定される。
【００１８】
本発明は、以下の詳細な説明および図面に例示される実施態様を参照して説明されるが、以下の詳細な説明および図面は、本発明を、開示された特定の例示的実施態様に限定するように意図するものではなく、むしろ、説明された例示的実施態様は、本発明の様々な態様を単に例示し、その範囲は添付の特許請求の範囲によって定義されるということを理解すべきである。
【００１９】
本発明は、例えば圧力およびトルクのような横力と回転力とを検出および／または測定するために使用された場合に、特に有利であると理解される。このため、本発明による光学変換器の対応する実施態様については、圧力とトルクとを検出および／または測定するために使用される実施例が以下に記載される。しかしながら、本発明による光学変換器の使用は、圧力とトルクとの検出および／または測定に限定されるものではなく、むしろ本発明による光学変換器は、それに作用する様々な力を測定および／または検出するためにも使用され得ることに留意されたい。したがって、本発明はまた、これらのすべての力の測定に対しても有用であり、以下に説明される横力（圧力）および／または回転力（トルク）は、変換器に作用する任意の力をも表すものとする。
【００２０】
本発明による光学変換器の第１の実施態様につき、図１ａ、１ｂを参照して以下に説明する。
【００２１】
図１ａ、１ｂにおいて、参照符号１は、横力（圧力）の検出および／または測定に好適な種類の光学変換器を示し、特に、図１ａ、１ｂの光学変換器１は、光学信号（光）を送信するように適合された光路を画定するように、連続的に配置された２つの光ファイバ２ａ、２ｂを含む。この光ファイバ２ａ、２ｂは、第１の光ファイバ２ａと第２の光ファイバ２ｂとの間の間隙（ｇａｐ）を定義するように配置され、第１の光ファイバ２ａおよび第２の光ファイバ２ｂの双方は、光学信号を受信し放射するように適合される。光学変換器１は、図１ｂの矢印５によって示された方向に沿って、光ファイバ２ａと光ファイバ２ｂとの間の間隙内で往復運動するように適合された光学手段３をさらに含む。さらに、図１ａ、１ｂにおいて、参照符号４ａ、４ｂは、光ファイバ２ａに入射し光ファイバ２ｂを出る光学信号をそれぞれ示す。光学手段３は、光路を通る光学信号の透過率を変更するために、光ファイバ２ａ、２ｂによって画定された光路を介して送信された光学信号に対する障害物および／または干渉物を構成するように適合された任意の手段を含み得る。例えば、光学手段３はまた、光路に沿った光学信号を少なくとも部分的に吸収するために、完全に非透過的かまたは段階的な吸収プロファイルを有するかのいずれかの光学フィルタを含み得る。
【００２２】
図１ａ、１ｂに図示した光学変換器１の動作原理は、２つの対向する光ファイバ２ａと光ファイバ２ｂとの間への光学手段３の漸進的な挿入に基づく。印加されるいかなる力も無い時（図１ａ）、２つのファイバ２ａ、２ｂ間に障害は存在せず、ファイバ２ａに入射する光学信号４ａは出力用光ファイバ２ｂに結合される。このことは、間隙を介した回折による一定の損失を除いて、光ファイバ２ｂを出る光学信号強度４ｂは、本質的には光ファイバ２ａに入射する光学信号強度４ａに相当することを意味する。力、例えば図１ｂに図示した横力３Ｆが印加されると、光学手段３は、２つの対向する光ファイバ２ａ、２ｂの間に徐々に挿入され（図１ｂを参照）、光路を通る光学信号の透過率を変更する障害物を構成する。言い換えれば、光ファイバ２ｂを出る光学信号強度４ｂは、２つの光ファイバ２ａ、２ｂの間の光学手段３の位置に比例して、またはその関数として、光ファイバ２ａに入射する光学信号強度４ａに比して低減される。つまり、２つの光学信号４ｂ、４ａ間の差異（例えば、２つの信号の強度に関連する差異）は、光学手段３に作用する力３Ｆの大きさに依存させることができる。例えば、これは、光学手段３の動きを妨害する適切な弾性手段を使用することにより行うことができ、この好適な弾性手段の実施例を、図１ｃを参照して以下に説明する。当然ながら、弾性手段は、監視すべき力の範囲に従って選択される適切な弾性定数を有しなければならない。
【００２３】
図１ａ、１ｂに示した実施態様では、２つの光ファイバ２ａ、２ｂは固着されており、光学手段３（光学フィルタ）のみが印加された力の結果として動いている。しかしながら、図１ａ、１ｂを参照して図示された状況が反対にされる実施態様もまた可能である。例えば、光学手段３が固着された状態で、光ファイバ２ａ、２ｂの１つまたは双方に力が作用する実施態様もまた可能である。
【００２４】
さらに、機械的組立品の不安定な諸側面を低減するために、適切なレンズ系を使用して光学信号を拡大し次に再度その焦点を合わせてもよい。この目的のための適切なレンズ系は当業者にはよく知られており、したがって詳細には説明しない。
【００２５】
上述のように、光学フィルタ３は、完全に非透過的か、あるいは読み取り分解能をより正確に制御するように設計された段階的な吸収プロファイルを有するかのいずれかである。段階的な吸収プロファイルを有するフィルタの実施例は図２ａ〜２ｃに図示され、特に、図２ａには、フィルタの吸収プロファイルが、フィルタ３の断面に重ね合わされた座標系Ｘ、Ｙを参照して図示される。図２ａにおいて、Ｙ軸は光路を通る光学信号の伝搬方向に平行であり、Ｘ軸はＹ軸に垂直であって同図の平面上にあり、Ｚ軸はＸ軸とＹ軸との双方に垂直である。光学フィルタ３の吸収プロファイルは、吸収率が光学フィルタ３の両端部で最大となり、光学フィルタ３の中央部に対応する最小値まで減少するようになっており、ここでは、吸収率はＺ軸に沿って一定であるものと仮定する。図２ａで示された種類の段階的な吸収プロファイルを有する光学フィルタを使用することが適切である理由は、図２ｂ、２ｃから明らかである。図２ｂ、２ｃには、図２ａの面に垂直であり、光学フィルタ３とその右側の光ファイバ２ａとの間のスペース内に存在する面上の図２ａの構造の断面が示されている。図２ｂに示すように、フィルタが、（それに作用する力により）２つの光ファイバ２ａ、２ｂの間の空隙内に深度ｄまで挿入されると、所定の部分（図２ｂの破線部）はフィルタ３によって遮蔽され、従って、完全に非透過的なフィルタの場合には、光路を介して送信された光学信号の対応する部分はフィルタ３により吸収される。しかしながら、図２ｃに示すフィルタ３の深度２ｄ（図２ｂの距離ｄの２倍）までの移動の場合には、光ファイバ２ａの断面部分は、図２ｂの破線部の２倍以上の部分により、フィルタ３（図２ｃの点線部）によって遮蔽され、または覆われる。したがって、フィルタ３により吸収された光学信号部分は、図２ｂの移動ｄの場合に吸収された部分の２倍を越える。移動ｄと２ｄが、フィルタ３に作用する２つの力Ｆと２Ｆにそれぞれ対応すると仮定すると、完全に非透過的なフィルタの場合、光学信号の吸収率と、フィルタ、すなわち変換器１に作用する対応する力との間の関係は非線形であると理解される。逆に、フィルタによって遮蔽された光ファイバ２ａの各部分間の差異を補償するためにフィルタの吸収率の変化を利用することができるので、図３ａで示された種類の吸収率を有する光学フィルタを使用することにより、吸収された光パワーと変換器に作用する力との間に直接比例関係（線形関係）を確立することができる。
【００２６】
以下では、図１ｃを参照して、フィルタ３の動きを妨害するために、図１ａ、１ｂに図示した構造と組み合わせて使用するように適合された弾性手段の実施例を開示する。図１ｃでは、光ファイバ２ａ、２ｂ、および光学フィルタ３は、弾力性スリーブ１ｓ内に収容される。例えば、弾力性スリーブ１ｓは、プラスチックまたはゴム等の弾性材料で構成することができる。図１ｃの実施例では、フィルタ３は弾力性スリーブ１ｓに固着され、そして弾力性スリーブ１ｓの弾性特性のために、弾力性スリーブ１ｓは変換器に作用する力３Ｆに対して反作用力を及ぼす。また、スリーブの（同様に、光学フィルタ３の）移動と変換器に作用する力３Ｆとの間に一定の関係が確立されるように、弾力性スリーブ１ｓは適切な弾性定数を有する。上に説明したように、光学フィルタ３の移動とこのフィルタ３により吸収された光学信号（あるいは、光路を出る光学信号）との間にも一定の関係が存在するので、フィルタにより吸収された光学信号（あるいは、光路を出る光学信号）と変換器に作用する力３Ｆとの間にも一定の関係が確立され得ることは明らかである。弾力性スリーブ１ｓと光ファイバ２ａ、２ｂとの間の空間は、状況によっては、最終的に充填材によって充填してもよい。当然ながら、当業者に公知のその他の弾性手段を、本発明の範囲から逸脱することなく設けることができる。例えば、弾性コイルがフィルタ３の下に配置されてもよい。よく知られた弾性手段を使用できるので、これらの弾性手段については本応用ではさらに詳細には説明しない。
【００２７】
以下では、本発明の動作原理を利用する測定装置の電気的配置の実施例を、図３ａを参照して説明する。図３ａでは、前の図を参照して既に説明した部分は、同じ参照番号を使用して示される。
【００２８】
図３ａにおいて、参照符号６ａ、６ｂは光学信号放射装置と光学信号受信装置をそれぞれ示す。装置６ａは、光ファイバ２ａに入射するとともに光ファイバ２ａ、２ｂによって画定された光路を介して送信され、最終的にはフィルタ３によって部分的または完全に吸収される光学信号を生成および／または放射する。こうして光ファイバ２ｂの反対端を出る光学信号は受信装置６ｂによって受信される。例えば、放射装置６ａはＬＥＤ光源に接続された電流発生器または電圧発生器を含み、同様に、受信装置６ｂは、フォトダイオードと、このフォトダイオードに続く低雑音増幅器とから成る増幅型光検出器を含む。しかしながら、光路に入射する光学信号を生成するため、および光路を出る光学信号を受信するためには、多くの解決策を採用することができる。本発明を利用するためには、結果として生じる電流信号および／または電圧信号が変換器に作用する力を検出するために解析されるように、電流信号および電圧信号のいずれかが変換器に入射する光学信号に変換されること、および変換器を出る光学信号が電流信号および電圧信号のいずれかに変換されることだけは必須である。
【００２９】
以下では、図３ｂ、３ｃを参照して、本発明による光学変換器と組み合わせて使用するように適合された放射装置と受信装置の実施例をそれぞれ説明する。
【００３０】
図３ｂに概略的に示した放射装置６ａは、電圧源７ａ、可変抵抗器７ｂ、および光放射ＬＥＤ７ｃを含む。このように、この回路を流れ、ＬＥＤ７ｃに入る電流は、図３ａに示すような光学変換器に入射するのに適した光学信号に変換される。同様にして、図３ｃに示す受信装置６ｂは、電圧源７ａ、抵抗器７ｂ、および入射した光学信号を電流信号に変換するフォトダイオード７ｄを含み、測定装置７ｅにより、結果として生じた電流を測定することができる。但し、図３ｂに示す放射装置６ａ、および図３ｃに示す受信装置６ｂは、本発明による変換器と組み合わせて使用するように適合された装置の２つの可能な実施例を単に表すだけであることに留意されたい。当然ながら、本発明の範囲から逸脱することなく、代替解決策または異なる解決策は当業者に公知のものから使用することができ、例えば、状況によっては、光学信号は電圧信号に変換することができ、生じた電圧信号の測定のために電圧測定装置７ｅを使用することができる。
【００３１】
図１ａ、１ｂを参照して説明した光学変換器は、２つの光ファイバ（１つは入射する光学信号のため、１つは出射する光学信号のため）が連続的に配置され、光学手段（フィルタ）と共にその間の試験下の感知領域に持ち込まれる必要がある。しかし、状況次第では、光学変換器の最終サイズおよび／または寸法をさらに縮小することが大いに望ましい。これは、特に、以下に図４を参照して説明するような適切な光学手段を使用することにより達成することができる。
【００３２】
図４に示す実施態様では、光学変換器１は、矢印５により特定される方向に沿って、光ファイバ２ａの近傍で往復運動するように適合された独自の光ファイバ２ａと光学手段３ｒとを含む。例えば、光学反射手段（ミラー）のような適切な光学手段３ｒが使用された場合、独自の光ファイバ２ａに入射する光学信号４ａはまた、この同じ光ファイバ２ａによって少なくとも部分的に捕捉および／または受信され得る。ミラー３ｒがそれに作用する力３Ｆの結果として矢印５の方向に往復運動するように適合された状態で光ファイバ２ａの一端の近傍に引き入れられた場合、光ファイバに入射しかつ光ファイバ２ａにより送信される光学信号４ａは、光学ミラーがそれに作用する力３Ｆの作用によって光ファイバ２ａの断面の表面を少なくとも部分的に遮蔽しおよび／または覆うように移動されると直ちに、光学ミラー３ｒにより少なくとも部分的に反射されるということは事実上明らかである。また、特に、ミラー３ｒによって反射され、よって再び光ファイバ２ａに入射する光学信号の一部は、ミラーによって照射された光ファイバ２ａの断面の表面部分に依存するということは事実上明らかである。このようにして、また図１ａ、１ｂに示した変換器の場合と同様にして、ミラー３ｒによって反射され光路を出る光学信号４ｂと、光学ミラー３ｒに作用する力（または、その強度）３Ｆとの間に一定の関係を確立することができる。しかし、この場合、その光路は独自の光ファイバ２ａによって画定されるので、図４に示した解決策により、変換器の最終寸法とサイズを縮小することができる。図２ａ〜２ｃに示した解決策と同様に、図４に図示した変換器１の光学ミラー３ｒは、完全に反射するフィルタ、および段階的に反射するプロファイルを有するフィルタ、例えば図２ａに示すような反射プロファイルを有するフィルタのいずれかである。図４に示した変換器についても、入力される力３Ｆに対して作用するために必要とされる弾性力を与えるために、図１ｃに図示したものと同様の弾力性スリーブが光ファイバ２ａと光学ミラー３ｒを収容するために使用され得るということにも留意されたい。
【００３３】
図４の光学変換器を実装する測定装置の可能な配置の実施例を、図５を参照して以下に説明する。
【００３４】
図５に示した測定装置は、図３ａを参照して既に説明した電気装置と本質的に類似しており、特に、図３ａと図５では、対応する部品は同じ参照番号を使用して示される。図５の測定装置と図３ａのものとの間の最も重要な差異は、図５の回路が光学ミラー３ｒによって反射された光学信号から入射光学信号を分離するように適合されたカップラ８を含むということに関連する。したがって、放射装置６ａが光学信号を生成および／または放射し、次にこの光学信号が光ファイバ２ａによって画定された光路に入射し、光学ミラー３ｒとの相互作用（反射）の後に結果として生じたこの光学信号が反対方向の光ファイバ２ａに入射し、受信装置６ｂによって最終的に受信されるということは、図５から明らかである。また、装置６ｂによって生成された、結果として生じた電流信号および／または電圧信号は、変換器に作用する力を検出するために使用することができる。図５に示した配置では、図３ｂ、３ｃに示した種類の放射装置と受信装置とをそれぞれ使用できるが、上に述べたように、代替解決策あるいは異なる解決策もまた、本発明の範囲から逸脱することなくこの目的を達するために使用することができる。
【００３５】
図１ａ、１ｂおよび図４の双方の光学変換器（以下では、それぞれ、透過ベースの変換器および反射ベースの変換器とも呼ぶ）は、本質的には、特定の読み取りのためのみに、すなわち単一点または非常に小さな領域群に作用する力を検出するためのみに使用され得る。しかしながら、標準市販電子部品および本質的に安い光電子部品（ＬＥＤやフォトダイオードのような）が使用できることによる変換器の安い製造コストは、所定数の点における力の分布を測定するためのマルチファイバ型検出プローブを提供することも可能にする。特に、これは、関連する光信号発生および検出のための電気装置および／または電子装置と共に、図１ａ、１ｂおよび図４をそれぞれ参照して上に説明した２つの変換器の１つまたは双方を、単純に何度も複製することにより、実施することができる。本発明による複数の変換器を活用する可能なマルチファイバ型検出プローブの実施例について、図６ａを参照して以下に説明する。
【００３６】
図６ａにおいて、参照符号６ａは、光学信号を放射するように適合された対応する放射装置を示す。例えば、放射装置６ａは図３ｂを参照して説明した種類のものでよい。参照符号１は光学変換器を示す。これらの光学変換器は、図１ａ、１ｂ、または図４を参照して説明した種類のものでよい。参照符号６ｂは、受信装置、例えば図３ｃを参照して説明した種類の受信装置を示す。さらに、参照符号９は電圧増幅器または電流増幅器を示し、一方、参照符号１０は、電流信号および／または電圧信号をディジタル信号に変換するように適合された装置（例えば、ＤＡＱディジタル捕捉基板）を示す。最後に、参照符号１１は、ディジタルデータを解析するように適合された演算ユニットである。放射装置６ａにより放射された光学信号は、光学変換器１に入射し、該変換器に作用する力の結果として変更された後、受信装置６ｂによって受信される。結果として生じた電流信号および／または電圧信号は、増幅器９によって収集され、所定の値まで十分に増幅され、フィルタリングされる。この増幅された信号は、次に、装置１０によってディジタル信号に変換され、演算ユニット（例えばＰＣ）へ送信される。このようにして、いくつかの変換器を同時に制御することができ、したがって複雑なセンサネットワークを考案することも可能である。さらに、そのプログラムにより、測定結果を評価し、時間の経過に伴う力の変化を図示し、所定の閾値を越えて読み取りが増加した場合に警告を発することができる。さらに、適切なソフトウェアを使用することにより、例えばＴＣＰ／ＩＰなどの標準プロトコルを使用して、ウェブを介して変換器を制御することも容易である。
【００３７】
本発明による光学変換器を活用する可能なマルチファイバ型検出装置および／または測定装置の別の実施例について、図６ｂを参照して以下に説明する。同図では、前の図を参照して既に説明した部分は同じ参照符号を使用して示される。
【００３８】
図６ｂにおいて、複数のＬＥＤ７ｃは、電圧源７ａと抵抗７ｂとを直列に接続して使用される。したがって、ＬＥＤ７ｃが、電圧源７ａおよび抵抗７ｂとともに、図３ｂに示した種類のマルチチャネル放射装置を成すことは明らかである。動作時、ＬＥＤ７ｃによって放射された光学信号は、対応する光学変換器１に入射し、そして変換器に作用する力の結果として変更された後、ｎ個のダイオード７ｄによって収集され、次に、電流信号または電圧信号のいずれかに変換される。次に、結果として生じたダイオード７ｄを出る電流信号および／または電圧信号は、増幅器９によって増幅されフィルタリングされ、コンバータ手段１０に転送されてディジタル信号に変換され、そして最後に演算ユニット１１に転送されて適切に解析される。図６ｂの構造と図６ａの構造との間の最も重要な差異は、ＬＥＤ７ｃの群のうちの１つ（図６ｂの場合のＬＥＤｎ）が、対応するダイオード７ｄへ直接接続されるということと関連する。この解決策は、特に、検出装置および／または測定装置の分解能を増すために、光源の変動に対する検出および／または測定を補償するように適合される。これは、特に、ＬＥＤｎによって放射された光学信号がいかなる変換器からも影響を受けずかつ変更もされず、対応するダイオード７ｄへ直接送信されること、つまり、ＬＥＤｎおよび対応するダイオードが測定装置の他のチャネルと同じ変動を経験し、したがって基準点として使用され得るということによる。この解決策は、高価な追加の光学部品を必要とすることなく極めて正確な結果をもたらすことを証明した。しかしながら、状況によっては、監視のために光源からわずかな光を取り入れる追加のカップラにより、さらに正確な結果を達成することができる。また、温度の影響を補償できる市販の低コストの集積化電子式温度センサ（例えば、アナログデバイス社のＴＭＰ３５）から環境温度を捕捉するために、測定装置の別のチャネルを割り当てることも可能である。ここでは様々な変換器は概ね同一温度であると仮定している。温度の影響だけでなく湿度、好ましくない歪、経年変化などを含むさらに正確な補償は、基準ＬＥＤを、監視ファイバに平行に走る連続した基準ファイバを介してそのフォトダイオードへ接続することにより達成することができる。
【００３９】
監視すべき点と、それらに作用する検出すべき対象の力とが非常に多くなると、同一の測定装置内にすべての光学変換器を詰め込むのは難しいかもしれない。しかしながら、これらの場合、光学変換器の数を低減して、対応する複数点に作用する複数の力を検出するために同じ変換器を使用できる。複数の力を検出することができる本発明による光学変換器の実施例について、図７ａを参照して以下に説明する。ここでは、前の図を参照して既に説明した構成部分は、同じ参照符号を使用することにより示される。
【００４０】
図７ａに概略的に示した光学変換器１は、光路を画定するために連続的に配置された３つの光ファイバ２ａ、２ｂ、２ａｂを含む。さらに、参照符号４ａｒ、４ａｇは光路に入射する２つの光学信号を示し、最後に、参照符号３ｒ、３ｇは、光学手段に作用する力３Ｆの結果として、光ファイバ２ａと光ファイバ２ｂとの間の間隙内と、光ファイバ２ｂと光ファイバ２ａｂとの間の間隙内で往復運動するように適合された光学手段をそれぞれ示す。この光学手段（例えば、光学フィルタ）３ｒ、３ｇは、矢印５によって示される方向に沿って往復運動することができる。図７ａに図示した変換器１により力３Ｆを検出するために、例えば赤と緑の異なる波長の２つの光学信号が光ファイバ２ａ内に発射される。この実施態様では、光学フィルタ３ｒ、３ｇはそれぞれ赤と緑の波長を中心としたバンドパスフィルタである。第１の光学ミラー３ｒ（第１の感知点を表す）に力３Ｆが印加されると、赤の波長を中心としたフィルタ３ｒの漸進的な挿入は、赤の波長信号に影響を与えることなく（または、少なくとも著しい影響ではなく）緑の波長信号の透過を徐々に減少させる。一方、それに作用する力３Ｆの結果としてのフィルタ３ｇの漸進的な挿入は、緑の波長の光学信号に著しく影響を与えることなく赤の波長信号の透過を徐々に減少させる。したがって、結果的に、最後の光ファイバ２ａｂを出る光学信号の強度は、それらに作用する力の結果として、フィルタ３ｒ、３ｇのそれぞれが取る位置の関数として光ファイバ２ａに入射する光学信号４ａｒ、４ａｇの強度とは異なる。したがって、図１ａ、１ｂおよび図４に示した場合と同様に、結果として生じた信号と、変換器に作用する力との間には一定の関係を確立することができる。当然ながら、図７ａを参照して上に説明した解決策は、各光学変換器に対する任意の数の感知点または任意の数の作用する力に原理的に適用することができる。
【００４１】
図７ａを参照して上に説明した光学変換器を活用する測定装置の可能な実施態様について、図８ａを参照して以下に説明する。ここでは、前の図を参照して既に説明した構成部分は、同じ参照符号を使用することにより示される。したがって、図８ａの参照符号６ａ、６ｂは、図３ｂ、３ｃを参照して説明したものと本質的に同じタイプの放射装置および受信装置をそれぞれ示し、さらに、参照符号２ａ、２ｂ、２ａｂは図７ａの光ファイバを示し、一方、参照符号３ｒ、３ｇは光学フィルタを示す。図８ａの測定装置と例えば図３ｂの測定装置との間の最も重要な差異は、放射装置６ａが所定の波長の光学信号、特に図８ａに示した実施態様における赤と緑を放射するように適合されるということに関連する。赤と緑の２つの放射装置６ａから放射された光学信号は、光ファイバ２ａ’、２ａ”へ入射しそしてその後、一種の粗い波長分割多重（Ｃ−ＷＤＭ）を達成するための３ｄＢのＹ型接合（または、カップラ）を使用することにより合成される。次に、変換器１を介して送信された信号は、フィルタ３ｒ、３ｇによって最終的に変更された後、３ｄＢのスプリッタ（またはカップラ）によって逆多重化され、そして光ファイバ２ｂ’、２ｂ”を介して、緑と赤の波長を中心とする対応するバンドパスフィルタ９ｒ、９ｇのそれぞれへ送信される。このようにして、受信装置６ｂは特定の波長に対してのみ敏感に反応する。
【００４２】
以下では、図７ｂを参照して、対応する複数の感知点に作用する複数の力の検出または測定を可能にする本発明の別の実施態様による光学変換器の説明を行う。特に、対応する２つの感知点に作用する２つの力の検出および／または測定を可能にする光学変換器の説明を行う。
【００４３】
図７ｂに示した光学変換器は、図７ａを参照して上に説明した光学変換器と本質的に類似する。図７ｂの変換器と図７ａの変換器との間の最も重要な差異は、図７ｂの変換器では、変換器の光路を介して送信された光学信号を変更するために使用される可動光学手段が、対応する所定の波長の光学信号を少なくとも部分的に反射することができる種類のものであることと関連する。図７ｂの光学変換器もまた以下では反射ベースの変換器とも呼ばれるのはこの理由による。図７ｂにおいて、参照符号２ａ、２ｂは、その間に光路を画定するような間隙を備えて連続的に配置された対応する光ファイバを示す。さらに、参照符号３ｒ、３ｇは第１および第２の光反射手段、例えば光学ミラーを示す。第１の光学ミラー３ｒは、それに作用する第１の力３Ｆの結果として、第１の光ファイバ２ａと第２の光ファイバ２ｂとの間の間隙において、矢印５により示される方向に沿って往復運動するように適合される。同様に、光学ミラー３ｇは、それに作用する力３Ｆの結果として、第２の光ファイバ２ｂの端部（２つの光ファイバ間の間隙の反対の端部）の近傍において矢印５の方向に往復運動するように適合される。参照符号４ａｒ、４ａｇは、２つの光ファイバ２ａ、２ｂによって画定された光路に入射する対応する２つの異なる波長、例えば赤と緑の２つの光学信号を示す。例えば、光学信号４ａｒ、４ａｇは、図３ｂを参照して説明した種類の対応する放射装置によって放射および／または生成することができる。２つの光学ミラー３ｒ、３ｇは、特定の波長の光学信号を少なくとも部分的に反射するようにそれぞれ適合され、説明した実施態様では、第１の光学ミラー３ｒは、異なる波長の信号に影響を与えることなく赤の光学信号を反射するように適合され、一方、第２の光学ミラー３ｇはまた、異なる波長の光学信号に影響を与えることなく緑の光学信号を少なくとも部分的に反射するように適合される。このことは、赤以外の波長の光学信号の透過率は、光学ミラー３ｒによっては変更されず、その信号は光路へ送信されるということを意味する。赤と緑の２つの光学信号４ａｒ、４ａｇが、図７ｂに示すように光学変換器１に入射すると、それに作用する力３Ｆの結果としてのフィルタ３ｒの漸進的な挿入は、緑の光学信号４ａｇに影響を与えることなく赤の光学信号４ａｒの反射を徐々に増やす。したがって、ミラー３ｒによって反射された赤の光学信号の部分と、このミラー３ｒに作用する力３Ｆとの間に、一定の関係を確立することができる。一方、第２のミラー３ｇ（第２の感知点）に力３Ｆが印加されると、フィルタ３ｇの漸進的な挿入は、赤の光学信号４ａｒに影響を与えることなく緑の光学信号４ａｇの反射を徐々に増加させる。したがって、ミラー３ｇによって反射された緑の光学信号の部分と、このミラー３ｇに作用する力３Ｆとの間に、一定の関係を確立することができる。したがって、変換器に入射する光学信号の波長とミラーの反射特性との双方を適切に選択することによって、複数の力を検出することができる変換器を実現できるという結果になる。特に、この点に関して、２つの力の測定を可能にするこのような変換器の実施例が図７ｂを参照して説明されてはいるものの、説明した変換器はまた、３つ以上の力を測定するためにも使用できるということに留意されたい。
【００４４】
図７ｂの光学変換器を利用および／または実装する測定装置の電気的配置は、図８ａを参照して上に説明したものに類似する。このような測定装置について、図８ｂを参照して以下に説明するが、ここでは、前の図を参照して既に説明した同一部分は、同じ参照符号を使用することにより示される。
【００４５】
図８ｂの配置では、放射装置６ａ（例えば、図３ｂを参照して示した種類の放射装置）によって放射および／または生成された光学信号（この特定の場合では、赤と緑の信号）は、それぞれ光ファイバ２ａ’および２ａ”に入射し、Ｙ型接合（または、カップラ）によって合成され、次に、合成された信号は、カップラ８を介して光学変換器１（光ファイバ２ａ）に入射する。２つのフィルタ３ｒ、３ｇのうちの１つにより反射された後、赤と緑の光学信号は、カップラ８（光ファイバ２ｂ’）の下方のアームに引き入れられ、光ファイバ２ｂ’、２ｂ”と、それぞれ赤と緑の波長を中心とする２つの貫通型バンドパスフィルタ９ｇ、９ｒとを介して、対応する２つの受信装置６ｂに分離される。この受信装置６ｂでは、受信された光学信号が電流信号および電圧信号のいずれかに変換される。この目的を達するために、受信装置６ｂは、図３ｃを参照して説明した種類のものでよい。赤と緑の波長を中心とするバンドパスフィルタ９ｇ、９ｒをそれぞれ使用することにより、各受信装置６ｂは特定の波長のみに対して敏感に反応することができる。したがって、受信装置６ｂの１つは光学ミラーの１つ（変換器の２つの感知点のうちの１つ）に作用する力の変化を検出し、一方、第２の受信装置６ｂは他の光学ミラー（変換器の他の感知点）に作用する力の変化を検出する。使用される波長間の間隔によっては、図８ｂに示した測定装置の性能を改善するために広帯域のカップラ８を使用できるが、狭帯域カップラを使用する他の変形態様もまた可能である。
【００４６】
以下では、図９ａを参照して、回転力（トルク）の検出および／または測定を可能にする本発明による光学変換器のさらなる実施態様を説明する。
【００４７】
図９ａでは、前の図を参照して既に説明した部分は、同じ参照符号を使用することにより示される。したがって、図９ａでは、参照符号２ａ、２ｂは、その間に光路を画定するような間隙を有するように連続的に配置された２つの光ファイバを示す。さらに、参照符号４ａは光路に入射する光学信号を示し、一方、参照符号４ｂは光路を出る光学信号を示す。最後に、参照符号３ｈ１、３ｈ２は、図９ａの変換器１に作用する回転力３Ｔの結果として移動するように適合された対応する可動光学手段を示す。図９ａに示した実施例では、光学手段３ｈ１、３ｈ２は、光ファイバ２ａ、２ｂの２つの対向する端部にそれぞれ固着されるとともに、この２つの光ファイバ間の間隙に対向する２つの光学フィルタをそれぞれ含む。こうして、回転力３Ｔが変換器に作用する場合、２つのフィルタ３ｈ１、３ｈ２の１つまたは双方は、その軸上で、光路を通る光学信号４ａの送信の方向に基本的には平行に回転される。フィルタ３ｈ１、３ｈ２は、表面の半分は非透過的で、そして後の半分は透過的（透明）となるように設計される。変換器に作用する力３Ｔの結果として、２つのファイバ２ａまたは２ｂのいずれか１つ、もしくは２つのフィルタ３ｈ１または３ｈ２の１つが回転すると、光路（変換器）を出る光学信号４ｂは、２つのフィルタ３ｈ１、３ｈ２の重ね合せに起因する透明領域の異なる形状のために、変換器に入射する光学信号４ａに対して変化する。したがって、２つのフィルタ３ｈ１、３ｈ２が理想的な振る舞い（透明領域は光学信号の無視できる減衰を導入し、非透過的な領域は光学信号の１００％の減衰を導入する）を有すると仮定すると、変換器を出る光学信号４ｂの強度とそれに作用する力３Ｔとの間に一定の関係を確立することができる。特に、これは、フィルタ３ｈ１、３ｈ２または光ファイバ２ａ、２ｂの回転を妨害するように適合され、監視すべき回転力の範囲に従って選択された適切な弾性定数を有する弾性手段を使用することにより実現することができる。例えば、前記弾性手段は、光学変換器１を収容および／または格納する図１ｃに示した種類の弾力性スリーブ１ｓを含むことができる。要するに、図９ａを参照して上に説明した光学変換器の動作原理は、光路を介して送信された光学信号４ａが２つのフィルタ３ｈ１、３ｈ２の重ね合せの関数として減衰されるということに関連する。言い換えると、この２つのフィルタ３ｈ１、３ｈ２の重ね合せは変換器に作用する回転力３Ｔに依存するので、変換器を出る光学信号の強度と変換器に作用する力との間に一定の関係を確立でき、したがって本変換器を、例えばトルクのような回転力の測定および／または検出に対して適切なものとすることができる。機械的な組立品の不安定な諸側面を減らすために、適切なレンズシステムを、光学信号を拡大してから再びそれに焦点を合わせるように図９ａの変換器と組み合わせて使用することもできる。また、小さな回転に対する感度を高めるために、適切な機械システム（例えば、カンチレバ）を使用してもよい。
【００４８】
図９ｂに、いくつかの回転の場合に対する２つのフィルタ３ｈ１、３ｈ２の重ね合せが描かれた実施例を示す。特に、図９ｂの最も左の場合は変換器に作用する力が無い状況に対応し、したがって２つのフィルタの透過的な部分と非透過的な部分とが完全に整合した結果となる。したがって、信号の減衰は入力信号４ａの５０％に相当する。力３Ｔが変換器に作用すると、２つのフィルタの透過的な部分と非透過的な部分とは不整合となり、図９ｂの左から２番目の画像から最も右の画像までに描かれたように、それに従って生じる非透過的な部分が増加する。したがって、光学信号の減衰もまた増加し、フィルタが相互に１８０°回転された場合（図９ｂに図示しない）に信号が完全に吸収されるまで、変換器を出る信号が減少するという結果になる。
【００４９】
以下では、図９ｃ、９ｄを参照して、傾斜計、すなわち変換器に作用する回転力に起因する傾斜を測定するための傾斜計として使用するように適合された本発明による光学変換器の実施例を説明する。また、図９ｃ、９ｄでは、前の図を参照して既に説明した部分は同じ参照符号を使用することにより示される。
【００５０】
図９ｃ、９ｄでは、参照符号３ｈは、光路を画定する２つの連続する光ファイバ２ａ、２ｂの間の間隙へ移動するように適合された非透過的なフィルタを示す。このフィルタ３ｈは、振り子のように固定点３ｐに固定される。変換器に作用する力が全く無い時、このフィルタは光路と整合し、その結果、光路に入射する光学信号４ａは完全に減衰される（光学フィルタ３ｈは理想的な振る舞いを有すると仮定する）。逆に、力５ｒが変換器に作用する場合、フィルタ３ｈは、図９ｄに描かれたように光路とは不整合となり、したがって光学信号４ａの少なくとも一部は光路を通って送信され得る。したがって、光路（変換器）を出る光学信号４ｂと変換器の傾きとの間に、一定の関係を確立することができる。
【００５１】
図９ａ、９ｂを参照して上に説明した光学センサは回転感知を考慮しない、換言すれば時計回りか反時計回りかを区別することができないので、この光学センサは、１８０°までの回転だけしか検出することができない。この制限は、図９ａ、９ｂを参照して上に説明した光学変換器と、図７ａ、７ｂを参照して上に説明した光学センサに対して使用したものと類似したバンドパスフィルタ（色フィルタ）とを組み合わせることにより克服することができる。上記変換器が３６０°までの回転を検出できるようにするために、図９ａの光学変換器に使用するように適合されたバンドパスフィルタの実施例について、図１０ａ、１０ｂを参照して以下に説明する。
【００５２】
図１０ａに示した場合では、フィルタは図９ａに図示したものよりやや複雑である。特に、フィルタ３ｈ１は半分が透過的で半分が非透過的な表面（図１０ａの左側）を有し、一方、他のフィルタ３ｈ２はその表面の５０％が透過的であり、その表面の２５％は第１の波長の光学信号（赤）の透過を許容し、その表面の２５％は第２の波長の光学信号（緑）の透過を許容する。フィルタ３ｈ２は図１０ａの右側に図示され、ここでは、点線部分が赤を通過させる２５％の表面に対応し、一方、破線部分が緑を通過させる２５％の表面に相当する。図１０ａの２つのフィルタ３ｈ１、３ｈ２は理想的な振る舞いを有するものと仮定すると、（すなわち、透過的な領域は無視できる減衰を導入し、非透過的な領域は１００％の減衰を導入し、そして赤と緑の部分はそれぞれ赤と緑の波長を減衰しないものと仮定すると）、図９ａに描かれた種類の光学変換器であって、図１０ａの２つのフィルタ３ｈ１、３ｈ２を備えた光学変換器の機能は、図１０ｂを参照することにより容易に理解できる。変換器に作用する力が全く無い時、２つのフィルタ３ｈ１、３ｈ２はそれらの透過的な部分が重なり合うものと仮定して、同図には反時計方向への回転を図示した。
【００５３】
変換器に作用する回転力による反時計回りの間における光路を通る赤と緑の信号の透過率の変化は、次の通りである。
【００５４】
（ａ）回転なし（図１０ｂの最も左の場合）：赤と緑の信号の減衰は無く、最大出力パワーである。
【００５５】
（ｂ）９０°までの回転（図１０ｂの左から２番目の画像）：赤の信号の減衰はなく、緑の信号の減衰は増加する。すなわち、赤のパワーは依然として最大であり、緑のパワーはその最小に向かって減少する。
【００５６】
（ｃ）ちょうど９０°の回転（図１０ｂの左から３番目の画像）：赤の信号の減衰はなく、緑の信号の減衰は最大である。すなわち、赤のパワーは依然として最大であり、緑のパワーはその最小である。
【００５７】
（ｄ）１８０°までの回転（図１０ｂの左から４番目の画像）：赤の信号の減衰は増加し、緑の信号の減衰は最大である。すなわち、赤のパワーはその最少に向かって減少し、緑のパワーは依然として最少である。
【００５８】
（ｅ）ちょうど１８０°の回転（図１０ｂの左から５番目の画像）：赤の信号の減衰は最大であり、緑の信号の減衰は最大である。すなわち、赤のパワーは最少であり、緑のパワーは依然として最少である。
【００５９】
（ｆ）２７０°までの回転（図１０ｂの左から６番目の画像）：赤の信号の減衰は最大であり、緑の信号の減衰は減少する。すなわち、赤のパワーは依然として最少であり、緑のパワーは増加する。
【００６０】
（ｇ）２７０°と３６０°との間の回転（図１０ｂに図示せず）：赤の信号の減衰は減少し、緑の信号の減衰は最大である。すなわち、赤のパワーは増加し、緑のパワーは最少である。
【００６１】
したがって、上記より、変換器の出力で測定された赤と緑のパワーは、光ファイバ２ｂに固定された赤／緑のフィルタ３ｈ２と、光ファイバ２ａに固定されたフィルタ３ｈ１の透過的な半分の表面との重ね合わせに直接依存する（図９ａを参照）という結果になる。回転角度による変換器の出力での赤と緑のパワーレベルの変化の例を、図１１に図示する。
【００６２】
さらに、時計回りに関しては、緑と赤のパワーはその振る舞いを逆にし、したがって、パワー評価の履歴を考慮するように設計された適切なソフトウェアにより、回転感知と、これに伴う全体の回転とを特定できることは明らかである。したがって、一方では変換器に作用する力の強度と回転感知との間に一定の関係を確立し、他方では２つのフィルタの重なり合いを確立することができるので、変換器に作用する力の強度および回転感知は、変換器の出力での赤と緑のパワーレベルとそれらの振る舞いを始めとして、検出および／または測定することができるという結果になる。
【００６３】
以下では、図９ａ、９ｂ、１０ａ、１０ｂを参照して説明した光学変換器を利用する測定装置の実施例について、図１２を参照して説明する。ここでは、前の図を参照して既に説明した部分は同じ参照符号を使用することにより示される。
【００６４】
図１２の実施例では、放射装置６ａにより放射され、対応する光ファイバ２ａ’、２ａ”に入射する光学信号は、一種の粗い波長分割多重（Ｃ−ＷＤＭ）を達成するように、３ｄＢのＹ型接合（または、カップラ）を使用して合成される。次に、この光学信号は光路（光ファイバ２ａ）に入射し、赤と緑の２つのフィルタ３ｈ１、３ｈ２に送信され、光ファイバ２ｂを通って光路を出る。結果として生じた出力信号は３ｄＢのスプリッタ（カップラ）により逆多重化され、フィルタ２ｂ’、２ｂ”を介して緑と赤の波長を中心とする２つのバンドパスフィルタ９ｒ、９ｇのそれぞれに送信される。次に、これらの信号は受信装置６ｂにより受信され、ここで電流信号および電圧信号のいずれかに変換される。バンドパスフィルタ９ｒ、９ｇを使用することにより、それぞれの受信装置６ｂは特定の波長のみに対して敏感に反応する。例えば、受信装置６ｂの１つ（図１２の上方のもの）は、フィルタ３ｈ１に作用する力を検出し、一方、第２の受信装置６ｂ（図１２の下方のもの）はフィルタ３ｈ１に作用する力を検出する。
【００６５】
要するに、上記開示より、本発明による光学変換器は、当業者には公知の変換器に影響を与える欠点を克服し、または少なくとも最小化することができ、特に、本発明による光学変換器は、横力（圧力）および回転力（トルク）の双方を高信頼に検出することができる。さらに、本発明の光学変換器は、単一の点に作用する力と、対応する複数の点に作用する複数の力との双方を検出および／または測定することができる。
【００６６】
さらに、本発明の光学変換器は、電磁気雑音のある産業用構内において、易燃性の高い物質の貯蔵領域において、および雷雨時に静電放電に曝される構造におけるような不安定な環境における応用に対して特に適合する。変換器を介して流れる電流が無いことにより、本発明の光学変換器は、感電死のリスクを回避する生医学の応用に対して理想的なものとなる。
【００６７】
標準ポリマー光ファイバ（ＰＯＦ）のような極めて高い開口率の光ファイバを使用することにより、対向するファイバ間の間隙の高許容性と、機械的公差が厳しくないこととを活用できるという優れた結果もまた得られた。さらに、ＰＯＦの使用は、軽量、最小侵入性、電磁妨害雑音に対する不感受性、火事または爆発を起こす可能性が無いことなどのすべてのタイプの光ファイバに共通の利点に加え、光源、検出器およびコネクタの面から非常に低いコストとなることを暗示する。
【００６８】
しかしながら、本発明による光学変換器を利用しまたは実現するために、異なる光ファイバを使用してもよい。
【００６９】
特定の実施態様を参照して本発明を説明したが、本発明は説明した特定の実施態様に限定されることなく、むしろ添付の特許請求の範囲により定義された本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更を、説明した実施態様に導入することができることを理解されたい。
【００７０】
例えば、状況によっては、上に説明したすべての実施態様の雑音除去特性は、光学ソース６ａの変調信号と、この変調信号と同期した信号成分のみの選択増幅による受信装置側とに基づいた公知のロックイン技術を使用することにより改善することができる。これは、専用電子回路、および捕捉したデータを解析する適切なソフトウェアのいずれかを使用する異なる手段により実装することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１ａ】本発明の第１の実施態様による光学変換器の動作原理を表す図
【図１ｂ】本発明の第１の実施態様による光学変換器の動作原理を表す図
【図１ｃ】変換器に作用する力に対して弾性力を与えるように適合された弾力性スリーブ内に収容された図１ａと１ｂの光学変換器の概略図
【図２ａ】本発明による光学変換器に使用するように適合された可能な光学部品の概略図
【図２ｂ】本発明による光学変換器に使用するように適合された可能な光学部品の概略図
【図２ｃ】本発明による光学変換器に使用するように適合された可能な光学部品の概略図
【図３ａ】図１ａと１ｂの変換器を利用する測定装置の電気的配置の概略図
【図３ｂ】本発明の光学変換器と組み合わせて使用するように適合された放射装置の対応する概略図
【図３ｃ】本発明の光学変換器と組み合わせて使用するように適合された受信装置の対応する概略図
【図４】本発明の第２の実施態様による光学変換器の動作原理の概略図
【図５】図４の光学変換器を利用する測定装置の電気的配置を概略的に示す図
【図６ａ】本発明による光学変換器を利用する対応する測定システムの電気的配置を概略的に表す図
【図６ｂ】本発明による光学変換器を利用する対応する測定システムの電気的配置を概略的に表す図
【図７ａ】本発明のさらなる実施態様による光学変換器の動作原理を概略的に示す図
【図７ｂ】本発明の別の実施態様による光学変換器の動作原理の概略図
【図８ａ】図７ａの光学変換器を使用する測定装置の電気的配置を概略的に示す図
【図８ｂ】図７ｂの光学変換器を使用する測定装置の電気的配置を概略的に示す図
【図９ａ】本発明のさらなる実施態様による光学変換器の動作原理を概略的に示す図
【図９ｂ】本発明のさらなる実施態様による光学変換器の動作原理を概略的に示す図
【図９ｃ】本発明のさらに別の実施態様による光学変換器の動作原理を概略的に示す図
【図９ｄ】本発明のさらに別の実施態様による光学変換器の動作原理を概略的に示す図
【図１０ａ】本発明のさらに別の実施態様による光学変換器の動作原理を概略的に示す図
【図１０ｂ】本発明のさらに別の実施態様による光学変換器の動作原理を概略的に示す図
【図１１】図１０ａ、１０ｂに示した本発明の一実施態様による光学変換器を通して送信された電気信号に関係する図
【図１２】図９ａ、９ｂ、１０ａ、１０ｂの光学変換器を利用する測定装置の電気的配置を概略的に示す図
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図１ｃ】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図２ｃ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図４】
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【図５】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図９ｃ】
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【図９ｄ】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【外国語明細書】
2007033449000001.pdf